TWI529249B - High plasticity easy cutting zinc alloy - Google Patents

Description

高塑性易切削鋅合金

本發明涉及鋅合金領域，具體指一種高塑性易切削的鋅合金，該合金主要應用於F頭、製筆、接插件、鎖具等領域。

金屬的切削加工性能是金屬材料的重要性能。如應用於F頭、製筆、接插件、鎖具等領域的有色金屬都要求其具有一定的切削加工性能，通過儀錶車床、自動車床、數控車床等手段對有色金屬棒材或者板材進行切削加工，可以得到人們需要的各種尺寸和形狀的零部件，而合金切削性能的好壞對切削加工速度、表面光潔度、尺寸公差等具有非常重要的影響。

現代製造工業中，在金屬材料中加入一定數量的易切削元素，這類材料可以用較高的切削速度和較大的切削深度進行切削加工，可明顯提高機加工產品的勞動生產率，減少勞動強度和人工成本。同時由於金屬材料中加入的易切削元素，使金屬材料的切削抗力減小，易切削材料本身的特性起潤滑切削刀具的作用，易斷屑，減輕了磨損，從而降低了工件表面的粗糙度，提高刀具壽命和生產效率。但是隨著機械切削加工不斷向自動化，高速化和精密化方向發展，不但對金屬材料的切削性提出了更高要求，同時還要求材料具有一定的強度、硬度、塑性等性能，以滿足目前F頭、製筆、接插件、鎖具等零部件對材料的綜合性能。

目前鋅合金已經作為替代銅合金、鋁合金等的新一代的綠色 環保、易加工新型合金的一個重要方向而進行研究，但對於鋅合金研究最多的為Zn~Al系合金，該系列合金具有高的強度和硬度、良好的減摩擦性能，但Zn~Al系合金存在切削性能較差、晶間腐蝕傾向、尺寸穩定性低、抗蠕變能力差、耐蝕性差等缺點，不能滿足日前上述行業對材料的易加工、高塑性等性能要求。

中國專利號為ZL201010147727.4，一種含鉍無鉛易切削變 形鋅合金及其製備工藝，該合金重量百分計組成為鋁(Al)8~12%，銅(Cu)0.6~1.5%，鎂(Mg)0.03~0.1%，鉍(Bi)0.1~0.8%，其餘為鋅(Zn)和不可避免的雜質，雜質含量0.05%。該說明書只報導了該合金具有良好的切削性能，並沒有具體的資料證明。而且作為一種鋅鋁基變形鋅合金，在實際應用過程中發現，其切削性依然無法滿足現代加工業的需求。

中國專利號為ZL201010205423.9，一種易切削高強度鋅合 金，其特徵在於各組分組成按重量百分比計分別為：鋁1%~25%，銅0.5%~3.5%，鎂0.005%~0.3%，錳0.01%~0.1%，以及鉍0.005%~0.15%或/和銻0.01%~0.1%，以及總量不大於0.05%的雜質，餘量為鋅，各組份的重量百分比總和為100%，還可選擇添加0.005%~0.2%的硼。該合金也是一種鋅鋁基變形鋅合金，因含有較高的鋁，因此具有較高的強度，說明書中記載抗拉強度可達400MPa以上，切削性與普通鉛黃銅相比達到80%左右，沒有超過90%，但對於延伸率的記載沒有任何提及。

正是考慮到目前鋅鋁基鋅合金材料的切削性能較差，不能滿 足對切削加工性能要求較高的行業，如製筆行業用的筆殼、用於電子行業的連接器外殼、F頭、鎖具等行業，因此急需開發一種切削加工性能好、並具有一定塑性、強度等綜合性能優異的鋅合金。

本發明所要解決的技術問題是針對現有易切削產品的現狀提供一種切削性能優異、高塑性並加工性得到很大改善的易切削鋅合金。

本發明解決上述技術問題所採用的技術方案為：本發明的高塑性易切削鋅合金，其特徵在於該鋅合金的重量百分比組成如下：銅1.0~10.0%、鉍0.1~3.0%、錳0.01~1.5%，鈦0.001~1%及/或鋯0.01~0.3%，以及可選擇性添加元素X和可選擇性添加元素Y，其餘為鋅和不可避免的雜質，不可避免雜質0.01%；其中X是選自鉻、釩、鈮、鎳、鈷中的至少一種，添加總量為0~1.0%；Y是選自硼、砷、磷、稀土金屬中的至少一種，添加總量為0~1.0%。

優選方案之一為：所述鋅合金的重量百分比組成為：銅2~7%、鉍0.1~1.2%、錳0.1~0.4%、鈦0.01~0.3%，其餘為鋅和不可避免的雜質，不可避免的雜質0.01%。

優選方案之二為：所述鋅合金的重量百分比組成為：銅2~7%、鉍0.1~1.2%、錳0.1~0.4%、鋯0.01~0.3%，其餘為鋅和不可避免的雜質，不可避免的雜質0.01%。

優選方案之三為：所述鋅合金的重量百分比組成為：銅2~7%、鉍0.1~1.2%、錳0.1~0.4%、鈦0.01~0.3%、鋯0.01~0.3%，其餘為鋅和不可避免的雜質，不可避免的雜質0.01%。

作為上述技術方案的優選，所述鋅合金中還含有稀土金屬0.001~0.5%。

作為上述技術方案的優選，所述鋅合金中還含有鉻0.01~0.3%。

作為上述技術方案的優選，所述鋅合金中還含有鎳0.01~0.3%。

本發明若無特殊說明，所述元素含量均為重量百分比。

製備上述易切削鋅合金的方法為：熔鑄配料時鈦、鋯、鉻、釩、鈮、鎳、鈷元素分別以鋅鈦、鋅鋯、鋅鉻、鋅釩、鋅鈮、鋅鎳、鋅鈷中間合金的形式加入，其含量占中間合金的10%。錳以鋅錳中間合金的形式加入，其中錳含量為30%。銅以銅鋅中間合金的形式加入，銅含量為60~70%。合金中餘下的銅根據含量用純銅補齊。鉍和鋅根據合金元素的含量，採用純金屬的形式加入。該合金的熔鑄工藝採用工頻爐、中頻爐或反射爐熔煉，採用連續鑄造或硬模鑄造的方法製成鑄坯。然後採用熱擠壓的方法製成所需的棒材、管材或型材坯料，熱擠壓的溫度為180℃~380℃，最後經過冷拉加工製成各種規格的棒、線、型材產品，應用於自動車床、鑽床和儀錶車床等機加工產品領域。

本發明新合金中，銅的添加增加了第二相的含量，起到硬化和強化的作用。銅的添加量小於1.0%不能起到硬化和強化效果，添加量超高10%，塑性變差，不易冷熱加工。銅主要以高硬度的金屬間化合物的形式存在鋅的基體中。

鉍在鋅合金中以游離態的形式分佈於晶界，在高速切削時起到斷屑的作用。鉍含量過低不能很好起到斷削作用，鉍含量過高，易引起材料變脆，降低了合金的塑性，因此鉍含量控制在0.1~3.0%。

合金中的鈦、鋯起到細化晶粒、增強強度，防止偏析的作用。

鉻、鎳、釩、鈮、鈷分別以少量的金屬間化合物第二相存在於鋅的基體中，起到強化的作用。硼、砷、磷、稀土金屬起到淨化晶界，排除氣體的作用。

所述鋅合金的鑄態組織的相組成為：由基體相Zn，分佈于基體相中近球形的鋅銅化合物、魚骨形金屬間化合物以及游離態呈球形的 Bi顆粒組成；所述魚骨形金屬間化合物主要是鋅銅化合及/或鋅錳銅鋯化合物，其餘為鋅銅鈦及/或鋅銅鋯化合物。具體是鋅錳銅鈦Zn-Cu-Ti-Mn還是鋅錳銅鋯Zn-Cu-Zr-Mn化合物抑或兩種都有，取決於合金中鈦、鋯二者只添加了其中之一或二者都有添加；鋅銅鈦Zn-Cu-Ti、鋅銅鋯Zn-Cu-Zr的情形類似

所述近球形的銅鋅化合物尺寸在10微米以上。

所述鉍以單質的球形狀態分佈於基體相的晶界上，尺寸在10微米以下。

當合金中添加有鉻、釩、鈮、鎳、鈷中至少一種時，這些元素也與錳、鋅和銅形成化合物，並以魚骨形的形貌存在於HCP的鋅晶界上。

本發明中魚骨形，指的是其形狀與魚骨類似，呈非直線、橫向尺寸不均勻且有橫向突出物的條形形狀。具體參見附圖所示。

元素鉍以單質的球形狀態分佈於基體相的晶界上，尺寸在10微米以下(參見第1圖)，能起到迅速斷屑的作用。

本發明合金經過擠壓等塑性加工後，粗大的金屬間化合物晶體發生破裂，合金組織發生細化，表現出更高的塑性(見第2圖)。

如上所述，本發明的易切削鋅合金除了含有游離態分佈的鉍元素外，還存在高硬度細小的Zn-Cu-Ti-(Mn)等金屬間化合物鑄態組織，能譜分析確定見第3圖、第4圖、第5圖、第6圖、第7圖、第8圖。發明人研究發現，這些金屬間化合物的存在，不但能提高合金的強度和塑性，而且能提高合金的切削性能，並且是使合金表現出比單純添加鉍更好的切削性能，特別是存在有適量的由鈦及/或鋯跟鋅銅錳形成的金屬間化合物的情況下，對切削性能的改善尤為明顯，鈦和鋯二者之間又以鈦的效果較佳，對合金切削性的測試結果顯示這些金屬間化合物與鉍在對改善合金的切削 性能方面產生了某種協同作用。總之，這些金屬間化合物的存在，能使合金具有非常好的綜合性能，不但綜合機械性能好，而且切削效率高。試驗表明，該合金的切削性與C3604相比可以達到80%以上，延伸率可以達到15%以上，抗拉強度330~485MPa，硬度HV85~120。

本發明的合金的優點：

(1)切削效率可達鉛黃銅的80%以上，可以實現無冷卻或潤滑條件下的乾式切削加工、車削等機械加工，適合採用儀錶車床、自動車床和數控車床加工。

(2)該合金除了具有優異的切削加工性能外，還具有較高的延伸率，延伸率可達到15%以上。

(3)該合金可作為一些鉛黃銅合金棒材的替代品，主要應用於F頭、製筆、接插件、鎖具等機加工件。

第1圖：本發明的典型鑄造態組織，由基體相(Zn)、近圓形的鋅銅化合物，魚骨形金屬間化合物及游離態的小尺寸鉍顆粒組成。

第2圖：經過塑性加工後破碎的組織。

第3圖：Zn-Cu-Mn-Ti四元金屬間化合物的能譜分析。

第4圖：Zn-Cu-Mn-Ti四元金屬間化合物的形貌。

第5圖：二元Zn-Cu合金的能譜分析。

第6圖：二元Zn-Cu合金的形貌。

第7圖：三元Zn-Cu-Ti化合物的能譜分析。

第8圖：三元Zn-Cu-Ti化合物的形貌。

以下結合實施例，對本發明作進一步詳細描述。

該合金的熔鑄工藝採用工頻爐、中頻爐或反射爐熔煉，採用連續鑄造或硬模鑄造的方法製成鑄坯。然後採用熱擠壓的方法製成所需的棒材、管材或型材坯料，熱擠壓的溫度為180℃~380℃，最後經過冷拉加工製成各種規格的棒、線、型材產品。各實施例性能測試資料見表1。對比例ZL201010147727.4、ZL201010205423.9採用相應專利中的方法進行熔鑄，該兩對比例以及對比例C3604採用本實施例中相同的方法進行加工並測試有關性能資料。

實施例1、2、3和4：生產工藝流程：採用半連鑄的方法製成直徑170毫米的母合金胚料，在380℃的溫度下熱擠壓成棒材胚料，用聯合拉拔的方法製成所需直徑的棒材。

採用凸輪式自動車床鑽孔將棒材成品加工成零件，切屑易碎，加工效率能達到C3604鉛黃銅棒的90%。(加工效率指形狀、尺寸完全相同的零件，採用相同的切削工具，切削參數相同，二者進行對比。如1min內C3604銅合金加工100個，鋅合金可以達到90個，則加工效率為90%。下同。)。零件表面可進行鍍鎳、鍍鉻、鍍錫等表面處理。

實施例5、6、7、8、9和10：工藝生產流程：採用感應加熱的方法熔煉合金，用硬模鑄造的方法製成合金鑄錠。在240℃的溫度下擠壓成棒材坯料，用履帶式拉床製成鋅合金棒材，經過拋光矯直後，在數控機床上加工電子產品。同樣規格的零件，數控機床加工效率能達到C3604鉛黃銅棒材的85%。零件表面可以進行鍍鎳、鍍鉻、鍍錫等表面處理。

實施例11、12、13：生產工藝流程：使用感應加熱的方法熔煉，用硬模鑄造的方法得到母合金鑄錠，在180℃的條件下擠壓成合金棒材的胚料，經過多模拉絲機至成品前尺寸，再經過聯合拉拔的減徑、較直、拋光到成品。在凸輪機型自動車床幹式加工，加工效率可達同樣規格C3604鉛黃銅的80%。

實施例14、15、16、17：生產工藝流程：使用連續鑄造的冶金方法製成母合金鑄錠坯料，經過240℃的擠壓製成42mm×15mm異型材。

下料後使用專用鑽床加工，Φ 3mm的孔深度達20mm，可以連續鑽孔20個以上而不需要冷卻，製成掛鎖鎖體零件成品，加工效率可達到C3604鉛黃銅棒材的90%。

鎖體零件表面可以進行鍍鎳、鍍鉻、鍍錫等表面處理。

實施例18、19、20：生產工藝流程：使用連續鑄造的冶金方法製成母合金鑄錠坯料，經過300℃的擠壓。

用聯合拉拔的方法製成所需直徑的棒材。下料後使用專用鑽床加工，Φ 9.8mm的孔深度達20mm，可以連續鑽孔20個以上，製成金屬筆零件成品，加工效率可達到C3604鉛黃銅棒材的85%。

實施例21、22、23：生產工藝流程：使用連續鑄造的冶金方法製成母合金鑄錠坯料，經過320℃的擠壓出，合適規格的棒材坯料。

用聯合拉拔的方法製成所需直徑的棒材。

下料後使用專用鑽床加工，Φ 3mm的孔深度達35mm，可以連續鑽孔20個以上而，製成金屬筆零件成品，加工效率可達到C3604鉛 黃銅棒材的85%。

實施例24、25、26、27：生產工藝流程：使用連續鑄造的冶金方法製成母合金鑄錠坯料，經過320℃的擠壓製成Φ 25mm棒材用聯合拉拔的方法製成所需直徑的棒材。

下料後使用臺式鑽床加工，Φ 2.8mm的孔深度達25mm，可以連續鑽孔20個以上，加工效率可達到C3604鉛黃銅棒材的85%。

實施例28、29、30：生產工藝流程：使用連續鑄造的冶金方法製成母合金鑄錠坯料，經過340℃的擠壓製成Φ 12mm棒材，用聯合拉拔的方法製成所需直徑的棒材。

下料後使用凸輪機床加工，可以連續生產200個以上零件而不需要冷卻，製成金屬筆零件成品，加工效率可達到C3604鉛黃銅棒材的90%。

實施例31、32：生產工藝流程：使用連續鑄造的冶金方法製成合金母線坯料，經過剝皮、減徑拉伸製成直徑10毫米線材。

下料後使用專用鑽床加工，Φ 5mm的孔深度達30mm，可以連續鑽孔20個以上而零件成品，加工效率可達到C3604鉛黃銅棒材的80%。

表1 本發明合金實施例與對比合金成分及性能對比。

Claims (9)

1. 一種高塑性易切削鋅合金，其特徵在於：該鋅合金的重量百分比組成如下：銅3.01-10.0%、鉍0.1~3.0%、錳0.01~1.5%，鈦0.001~1%及/或鋯0.01~0.3%，以及可選擇性添加元素X和可選擇性添加元素Y，其餘為鋅和不可避免的雜質，不可避免雜質0.01%；其中X是選自鉻、釩、鈮、鎳、鈷中的至少一種，添加總量為0~1.0%；Y是選自硼、砷、磷、稀土金屬中的至少一種，添加總量為0~1.0%：所述鋅合金的鑄態組織的相組成為：由基體相Zn，分佈于基體相中近球形的鋅銅化合物、魚骨形金屬間化合物以及游離態呈球形的Bi顆粒組成；所述魚骨形金屬間化合物主要是鋅錳銅鈦化合物及/或鋅錳銅鋯化合物，其餘為鋅銅鈦及/或鋅銅鋯化合物。
2. 如請求項1所述的高塑性易切削鋅合金，其中，所述鋅合金的重量百分比組成為：銅3.01~7%、鉍0.1~1.2%、錳0.1~0.4%、鈦0.01~0.3%，其餘為鋅和不可避免的雜質，不可避免的雜質0.01%。
3. 如請求項1所述的高塑性易切削鋅合金，其中，所述鋅合金的重量百分比組成為：銅3.01~7%、鉍0.1~1.2%、錳0.1~0.4%、鋯0.01~0.3%，其餘為鋅和不可避免的雜質，不可避免的雜質0.01%。
4. 如請求項1所述的高塑性易切削鋅合金，其中，所述鋅合金的重量百分比組成為：銅3.01~7%、鉍0.1~1.2%、錳0.1~0.4%、鈦0.01~0.3%、鋯0.01~0.3%，其餘為鋅和不可避免的雜質，不可避免的雜質0.01%。
5. 如請求項2或3或4所述的高塑性易切削鋅合金，其中，所述鋅合金中還含有稀土金屬0.001~0.5%。
6. 如請求項2或3或4所述的高塑性易切削鋅合金，其中，所述鋅合金中還含有鉻0.01~0.3%。
7. 如請求項2或3或4所述的高塑性易切削鋅合金，其中，所述鋅合金中還含有鎳0.01~0.3%。
8. 如請求項1所述的高塑性易切削鋅合金，其中，所述近球形的銅鋅化合物尺寸在10微米以上。
9. 如請求項1所述的高塑性易切削鋅合金，其中，所述鉍以單質的球形狀態分佈於基體相的晶界上，尺寸在10微米以下。